基于FLAC3D的寒区正融土坡稳定性数值模拟分析

刘振国

（黑龙江省龙建路桥第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

滑坡是一种严重的地质灾害，给人类的生命财产带来重大隐患。季节冰冻区土质边坡在温度荷载作用下，由于土体内水分的迁移以及土体自重的影响，常在春融期发生浅层滑坡，严重威胁着公路运营的安全。目前，许多学者对季冻区边坡稳定性进行了研究，土坡内部的正冻土与融化土之间存在交界面，随着冻融循环作用，该界面处有大量自由水积聚，导致土体抗剪强度明显低于土坡内其它部位。采用数值模拟的方法分析其极限状态，有助于对季冻区土坡滑移进行更深入的了解，并对边坡的设计以及健康监测提供一定数据借鉴。

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）即连续介质快速拉格朗日分析，是一种基于拉格朗日差分方法的显式有限差分程序，也是岩土力学计算的重要数值方法之一。采用此分析方法，以温度为外加荷载，对季冻区正融土质边坡进行稳定性模拟分析。通过结果分析其破坏形态的同时，确定边坡内部受力及变形最不利位置，为季冻区正融土质边坡的稳定性监测提供理论借鉴。

1 边坡数值模型的建立

1.1 土坡几何结构形式

本文所设计的边坡坡度为1∶1，其深度应为10m，假设边坡内部土质均匀。具体的土质边坡模型尺寸如图1所示。

1.2 材料模型及参数

土样的本构模型选用经典的摩尔－库仑（Mohr－Coulomb Model）弹塑性模型。土样的具体参数为：容重γ＝20kN／m3，内摩擦角φ＝20°，粘聚力c＝40kPa，弹性模量E＝20MPa，泊松比μ＝0.3，土的初始含水量为22%。在模拟运算过程中，重力加速度取9.8m／s2，热传递系数取1.25。

由于安全系数随土样剪胀角的增大而增加，为分析土质边坡在最不利情况下的极限状态，本模拟选用的土体剪胀角为ψ＝20°。

1.3 边界条件

Flac3D的边界条件为速度边界条件。边坡底部采取约束x，y，z三向边界条件，两侧边界约束水平速度，本文是平面应变问题，因此，在y方向进行整体约束。

由于本文进行土坡正融分析，土坡和气温的初始温度均为－5℃，升温过程设计为温度由－5℃升高至10℃，分析融化过程中土体边坡内部应力应变状态。并根据土质边坡内部剪应变的变化趋势和分布情况，判断边坡是否达到滑移的极限状态。

1.4 土坡破坏判定标准

有限差分软件FLAC内置强度折减法命令。土坡稳定性的主要指标是土体的抗剪强度，而剪应变率可以直接反映土体在抗剪时的状态。以坡内剪应变增率的分部情况以及土坡网格点的速度矢量来表示剪切破坏的位置和形态。

2 数值模拟结果分析

采用FLAC3D进行了28525步强度折减循环后，得到了边坡的极限平衡状态，以下内容分别对正融土坡的破坏形式、x方向滑移量以及土坡的内部应力状态等方面进行分析。

2.1 正融土坡的破坏形式分析

基于有限差分法的仿真结果，提取正融土质边坡内广义剪应变增量，并绘制其分布示意图，如图2所示。

从图2中可以明显看出，剪应变幅值为1×e－1的广义剪应变区域在边坡中已经贯通，说明潜在的滑动面位于该剪应变增量贯通的区域，而且剪塑区已经形成，边坡将发生失稳破坏，此时的折减系数即安全系数为1.31。

为更方便地观察剪应变增量在土坡内部的分布，分析潜在滑移面的位置，图3给出了剪应变增量的单元示意图。图3中根据广义剪应变增量的贯穿区域，采用黑色实线标出了潜在滑移面的位置。

图3 剪应变增量的单元示意图

为分析边坡的失稳破坏的位置，从模拟结果中提取代表边坡网格点滑移趋势的速度矢量，如图4所示。

图4 边坡滑移的速度矢量示意图

根据图4可知，边坡靠近坡面处的浅层土体自坡顶开始，滑移的速度矢量逐渐加大，且方向逐渐偏向边坡表面一侧，滑动趋势越加明显，证明潜在滑动面处已经发生了滑移破坏。

2.2 正融土坡的滑移量分析

通常对土坡的监测常常以位移量作为直接监测参数，因此，从模拟结果中提取土坡x方向的位移量，并推测滑动破坏面的位置，如图5所示。

图5 土坡x方向的位移量

由图5可知，土坡滑移自坡顶至下部位移量逐渐增加，滑移量呈明显的分层分布。在临界状态下，最大位移值为6.7821×e－1mm，发生在坡脚处。

2.3 土坡内部应力状态分析

为分析土坡最终破坏时内部ZZ平面处的应力分布状况，特提取土坡内部该平面的主应力云图，如图6所示。

图6 土坡内部ZZ平面主应力云图

ZZ平面主应力云图显示，边坡内部应力分布明显呈现分层形式，且土坡表层应力值相对较小，应力值由表层向下应力逐渐增大，且均为压应力。

3 结 论

基于有限差分法，建立季冻区土质边坡的实体模型，通过改变界面上下参数的方法对土坡内部冻融界面进行模拟，并得出如下结论：

1）通过自编Fish程序设计土坡内部的温度梯度场，较好地模拟了土坡融化过程，计算得出其内部的应力应变以及滑移速度矢量关系。

2）随着融化深度的逐渐增大，土坡剪应变较大增量的分布区域逐渐增加，坡体滑动的趋势越加明显，最终土坡沿剪应变增量贯通区域发生滑动失稳破坏。

3）模拟结果显示，季冻区正融土坡极限状态下的滑移破坏形式为，靠近坡顶处滑移面近似为平行于坡面的平面，坡底部滑移面为圆弧面。

4）本文仅考虑了单次温度作用对边坡稳定性的影响，经多次冻融循环后土坡稳定性有待于进一步研究。

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